DE102018119410B4

DE102018119410B4 - Verfahren zur Herstellung eines Rotors sowie ein derartiger Rotor

Info

Publication number: DE102018119410B4
Application number: DE102018119410.2A
Authority: DE
Inventors: Marco Klampfl; Frank Ickinger; Karl Dums
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2018-08-09
Filing date: 2018-08-09
Publication date: 2024-06-06
Anticipated expiration: 2038-08-10
Also published as: DE102018119410A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Rotors (1) für eine Strömungsmaschine, mit einer Nabe (2) und einem auf der Nabe (2) angeordneten Laufrad (3) mit einer Mehrzahl von Laufradschaufeln (4), wobei wenigstens die Laufradschaufeln (4) in einem generativen Fertigungsverfahren auf die Nabe (2) aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Permanentmagnet (5) für einen elektrischen Zusatzantrieb des Rotors (1) in auf dem Umfang der Nabe (2) stabilisierende Strukturen eingebettet wird und auf dem Nabenumfang (2) generativ aufgebracht wird, wobei als stabilisierende Struktur ein netzartiger Unterbau dient, wobei das Laufrad (3) mit den Laufradschaufeln (4) und die Anordnung des/der Permanentmagnete (5) auf der Laufradnabe (2) durch ein 3D-Druckverfahren auf die Nabe (2) aufgebracht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine Strömungsmaschine, mit einer Nabe und einem auf der Nabe angeordneten Laufrad mit einer Mehrzahl von Laufradschaufeln, wobei wenigstens die Laufradschaufeln in einem generativen Fertigungsverfahren auf die Nabe aufgebracht werden. Eine besondere Anwendung für einen solchen Rotor wird für einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine gesehen. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen derartig hergestellten Rotor.
Derartige Rotoren, bestehend aus einem Laufrad mit einer Mehrzahl von Laufradschaufeln und einer Nabe bzw. einer Welle sind aus dem Stand der Technik, insbesondere aus der Serienfertigung von Brennkraftmaschinen hinlänglich bekannt. Diese werden eingesetzt, um die Brennräume der Brennkraftmaschine mit verdichteter Luft zu versorgen. Ein solcher Abgasturbolader umfasst eine über die Abgase der Brennkraftmaschine antreibbare Turbine sowie einen von der Turbine antreibbaren Verdichter zur Verdichtung angesaugter Luft.
Aufgrund der sehr hohen Drehzahlen solcher Rotoren und deren sehr komplexe Geometrie und deren entscheidenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Abgasturbolader geht die Entwicklung in Richtung auf die Verwendung von Gussverfahren von Leichtmetalllegierungen und auch von keramischen Werkstoffen. Man strebt einen Aufbau von Laufradnabe bzw. -welle an, die den weitgehenden oder vollständigen Verzicht auf Nacharbeiten wie zum Beispiel Auswuchten usw. ermöglicht, da eine exakt zentrische Positionierung des Laufrads zur Nabe bzw. Welle zur Verhinderung von Unwuchten zwingend erforderlich ist.
In der US 2016/0010457 A1 bzw. in der damit korrespondierenden DE 10 2014 213 343 A1 ist ein solcher Rotor gezeigt und beschrieben. Dieser soll aus einer TiAl-Legierung mittels Metallspritzgießen, selektivem Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen so hergestellt werden, dass auf die Welle bzw. Nabe sich damit verbindend das Turbinenrad bzw. die Turbinenschaufeln aufgespritzt werden.
In der DE 10 2015 014 193 A1 wird ein generatives Fertigungsverfahren für einen Rotor für einen Abgasturbolader offenbart, bei dem zur Fertigung selektives Laserschmelzen vorgeschlagen wird. Auf eine bereits produzierte Welle/Nabe wird dabei das Laufrad bzw. die Laufradschaufel mittels Laserschmelzen aufgebracht und mit dieser materialmäßig verbunden.
In der DE 10 2016 003 701 A1 ist ein Laufrad für einen Abgasturbolader gezeigt und beschrieben, dessen Nabe durch ein Gießverfahren hergestellt wird und dessen Laufradschaufeln durch ein generatives Fertigungsverfahren auf die Nabe aufgebracht werden sollen. Dabei soll die Nabe durch Feingießen herstellbar sein, während die Laufradschaufeln durch ein 3D-Druckverfahren hergestellt und auf die Nabe aufbringbar sind. Das 3D-Druckverfahren kann dabei ein generatives Schmelzverfahren, insbesondere ein selektives Laserschmelzen sein.
Aus der US 6 866 478 B2 ist eine Miniatur-Gas-Turbine bekannt, deren Rotoren in einem monolithischen Verfahren als Einheit gebaut werden sollen. Ein separat gefertigter Permanentmagnet kann in den Schaft der Turbine eingebettet angeordnet sein.
Aus der DE 10 2012 210 081 A1 und der US 2017/0302115 A1 sind weitere Verfahren bzw. Anwendungen von Permanentmagneten bekannt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, sich zusätzliche Vorteile solcher neuartiger Fertigungsverfahren von Rotoren für zum Beispiel Abgasturbolader zunutze zu machen. Um das Ansprechverhalten von Abgasturboladern bei niedrigen Drehzahlen, zum Beispiel beim Anfahren eines Kraftfahrzeugs zu verbessern, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, für das Anfahren des Rotors nicht nur den Druck aus dem diesen beaufschlagenden Gasstrom zu verwenden, sondern zusätzlich den Rotor elektrisch anzutreiben. Dazu können direkt auf der Nabe bzw. Welle des Rotors Magnete eines Elektromotors angeordnet werden. Üblicherweise erfolgt deren Montage auf der Welle bzw. Nabe in einem Käfig oder in einer Hülse. Dadurch können sich neue Unwuchten und auch Haltbarkeitsprobleme ergeben.
Die Erfindung schlägt zur Lösung dieser Aufgabe bei einem eingangs erwähnten Rotor für einen Abgasturbolader vor, dass mindestens ein Permanentmagnet für einen elektrischen Zusatzantrieb des Rotors in auf dem Umfang der Nabe stabilisierende Strukturen eingebettet wird und auf dem Nabenumfang generativ aufgebracht wird, wobei als stabilisierende Struktur ein netzartiger Unterbau dient, wobei das Laufrad mit den Laufradschaufeln und die Anordnung des/der Permanentmagnete auf der Laufradnabe durch ein 3D-Druckverfahren auf die Nabe aufgebracht werden. Durch diese quasi einteilige Ausgestaltung von Nabe bzw. Welle des Rotors und der Anordnung der Permanentmagnete für die elektrische Maschine ist es möglich, dass ein praktisch unwuchtfreier Aufbau unter Verzicht auf jede zusätzliche Masse durch für die Halterung der Permanentmagneten erforderliche Käfige oder Hülsen erreicht werden kann. Hierbei werden die Permanentmagnete im Rahmen des Abscheideverfahrens nach 3D in sie stabilisierende Strukturen auf dem Nabenumfang eingebracht, wobei die stabilisierenden Strukturen netzartig ausgebildet sind.
Wie aus dem Stand der Technik bekannt, ist es denkbar, ein Laufrad mit Laufradschaufeln und die sie tragende Nabe in einem additiven Verfahren herzustellen. Das heißt die Nabe ist dabei vorgefertigt und das Laufrad bzw. dessen Schaufeln werden auf die Nabe in einem generativen Verfahren eng verbindend aufgebracht. Denkbar ist aber ebenso, dass Laufrad mit Laufradschaufeln und die sie tragende Nabe in einem insgesamt generativen Verfahren, zum Beispiel in einem 3D-Druckverfahren quasi einstückig abgeschieden werden und dabei die Permanentmagnete entsprechend mit aufgebaut bzw. eingebettet werden.
Ferner ist denkbar, ein konventionelles Laufrad inkl. Schaufeln vorzusehen und lediglich die Permanentmagnete im Rahmen des Abscheideverfahrens nach 3D z.B. auf dem Nabenumfang einzubringen.
Besonders bevorzugt ist die Anwendung eines solchen Abgasturboladers nach der Erfindung mit einem entsprechend aufgebauten Rotor in einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der erfinderischen Lösung bei einem Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine Strömungsmaschine, insbesondere eines Rotors für einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine sowie dessen Anwendung bei einem Abgasturbolader hergestellt nach einem solchen Verfahren ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand einer schematischen Darstellung dazu in einer Zeichnung. Die beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen, wie nachfolgend in den Figuren der Zeichnung gezeigt, und die anhand der Zeichnung beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder auch in Alleinstellung anwendbar, ohne dass damit der Rahmen der Erfindung verlassen wird.
Die Figur zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen Rotor einer Strömungsmaschine, vorzugsweise eines Rotors für einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine.
Der Rotor 1 des Abgasturboladers weist eine Nabe 2 auf. Auf der Nabe 2 ist ein Laufrad 3 aufgebracht, das eine Mehrzahl von Laufradschaufeln 4 aufweist.
Wie vorstehend bereits beschrieben, sind Nabe 2, Laufrad 3 bzw. Laufradschaufeln 4 in einem generativen Verfahren, zum Beispiel in einem 3D-Druckverfahren hergestellt. Dabei ist es denkbar, dass die Nabe 2 als Bauteil vorgefertigt ist und das Laufrad 3 mit seinen Laufradschaufeln 4 über das generative Verfahren auf die Nabe 2 und zur innigen Materialverbindung mit dieser aufgrund des Herstellungsverfahrens mittels generativem Verschmelzen bzw. Drucken verbunden wird.
Im Rahmen dieses Aufbauprozesses des Rotors 1 können in einfacher Weise zum Beispiel für einen zusätzlichen elektrischen Antrieb des Abgasturboladers zur Verbesserung von dessen Ansprechverhalten in der Start- bzw. Hochlaufphase eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine für den elektrischen Zusatzantrieb notwendige Permanentmagnete 5 auf dem Umfang der Nabe 2 verteilt ebenfalls generativ aufgebracht werden.
Die Permanentmagnete 5 werden in auf dem Umfang der Nabe bzw. Welle 2 angeordnete stabilisierende Strukturen (nicht dargestellt) im Rahmen des generativen Aufbauprozesses eingebettet werden. Als stabilisierende Struktur wird ein netzartiger Unterbau bzw. ein seitliches Einbetten in ein Netz auf der Nabe eingesetzt.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Rotors (1) für eine Strömungsmaschine, mit einer Nabe (2) und einem auf der Nabe (2) angeordneten Laufrad (3) mit einer Mehrzahl von Laufradschaufeln (4), wobei wenigstens die Laufradschaufeln (4) in einem generativen Fertigungsverfahren auf die Nabe (2) aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Permanentmagnet (5) für einen elektrischen Zusatzantrieb des Rotors (1) in auf dem Umfang der Nabe (2) stabilisierende Strukturen eingebettet wird und auf dem Nabenumfang (2) generativ aufgebracht wird, wobei als stabilisierende Struktur ein netzartiger Unterbau dient, wobei das Laufrad (3) mit den Laufradschaufeln (4) und die Anordnung des/der Permanentmagnete (5) auf der Laufradnabe (2) durch ein 3D-Druckverfahren auf die Nabe (2) aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Laufrad (2) bzw. Laufradschaufeln (4) mit der sie tragenden Nabe (2) in einem additiven Verfahren hergestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Laufrad (3) bzw. Laufradschaufeln (4) mit der sie tragenden Nabe (2) in einem generativen Verfahren hergestellt werden.
Rotor für einen Abgasturbolader, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung des Abgasturboladers für die Aufladung einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug.